慣導(dǎo)系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用

緒論

慣性導(dǎo)航是一門重要的學(xué)科技術(shù)，它是飛機、船舶、火箭等載體能順利完成導(dǎo)航和控制

任務(wù)的關(guān)鍵性技術(shù)之一。1942年德國在V-2火箭上首次應(yīng)用了慣性導(dǎo)航原理；1954年純慣

性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機上試飛成功。30余年來，慣性導(dǎo)航技術(shù)獲得迅速發(fā)展。在我國慣性導(dǎo)航

技術(shù)已在航空、航天、航海和陸地車輛的導(dǎo)航和定位中得到應(yīng)用。1970年以來，我過多次

發(fā)射的人造地球衛(wèi)星和火箭都采用了本國研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。不僅如此，70多年以來，

這門科學(xué)技術(shù)還在大地測量、海洋勘測、石油鉆井、航空測量和攝影等國民經(jīng)濟領(lǐng)域里獲得

成功應(yīng)用。

慣性導(dǎo)航簡介

慣性導(dǎo)航（InertialNavigation）是20世紀中期發(fā)展起來的完自主式的導(dǎo)航技術(shù)。

通過慣性測量組件（IMU）測量載體相對慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運動定

律自動推算載體的瞬時速度和位置信息，具有不依賴外界信息、不向外界輻射能量、不受干

擾、隱蔽性好的特點，且慣導(dǎo)系統(tǒng)能連續(xù)地提供載體的全部導(dǎo)航、制導(dǎo)參數(shù)（位置、線速度、

角速度、姿態(tài)角）。慣性導(dǎo)航技術(shù)，包括平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系興趣近義詞 統(tǒng)。平臺式慣性導(dǎo)航

系統(tǒng)將陀螺通過平臺穩(wěn)定回路控制平臺跟蹤導(dǎo)航坐標系在慣性空間的角速度。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航

系統(tǒng)利用相對導(dǎo)航坐標系角速度計算姿態(tài)矩陣，把雷體坐標系軸向加速度信息轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐

標系軸向并進行導(dǎo)航計算。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等

組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀,又稱慣性導(dǎo)航組合。3個自由度陀螺儀用

來測量飛行器的三個轉(zhuǎn)動運動；3個加速度計用來形容眼淚控制不住的句子 測量飛行器的3個平移運動的加速

度。計算機根據(jù)測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數(shù)據(jù)。控制顯示器顯示

各種導(dǎo)航參數(shù)。

陀螺儀

陀螺儀是慣性系統(tǒng)的主要元件。陀螺儀通常是指安裝在萬向支架中高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)

子同時可繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的一根軸或兩根軸進動，前者稱單自由度陀螺儀，后者稱二自由度

陀螺儀。陀螺儀具有定軸性和進動性，利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角

偏差的位置陀螺。由于光學(xué)、MEMS等技術(shù)被引入于陀螺儀的研制，現(xiàn)在習(xí)慣上把能夠完成

陀螺功能的裝置統(tǒng)稱為譚嗣同怎么死的 陀螺。陀螺儀種類多種多樣，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進動自由度數(shù)

目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支承系統(tǒng)可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、

氣浮與磁浮陀螺，撓性陀螺（動力調(diào)諧式撓性陀螺儀），靜電陀螺；按物理原理分為利用高

速旋轉(zhuǎn)體物理特性工作的轉(zhuǎn)子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機械陀

螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。

單自由度陀螺儀敏感角速度，二自由度陀螺立冬時節(jié) 儀敏感角位移。為了將角速度和角位移轉(zhuǎn)換

成慣性系統(tǒng)中可用的信號，陀螺儀需安裝信號傳感器。為了能控制陀螺儀按一定的規(guī)律譏諷的近義詞 進動，

需安裝力矩器。

加速度計

加速度計是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件之一。依靠它對比力的測量，完成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確

定載體的位置、速度以及產(chǎn)生跟蹤信號的任務(wù)。載體加速度的測量必須十分準確地進行，而

且是在由陀螺穩(wěn)定的參考坐標系中進行。在不需要進行高度控制的慣導(dǎo)系統(tǒng)中，只要兩個加

速度計就可以完成以上任務(wù)，否則是應(yīng)該有三個加速度計。

加速度計的分類：按照輸入與輸出的關(guān)系可分為普通型、積分性和二次積分型；按物

理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計包括擺式積分加速度計、液浮擺式加速度計和撓

性擺式加速度計，非擺式加速度計包括振梁加速度計和靜電加速度計晚安一句話 ；按測量的自由度可分

為單軸、雙軸、三軸；按測量精度可分為高精度（優(yōu)于10?4m/s2）、中精度（10-2m/s2–10-3

m/s2）和低精度（低于0.1m/s2）。

平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

根據(jù)建立的坐標系不同，又分為空間穩(wěn)定和本地水平兩種工作方式。空間穩(wěn)定平

臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的臺體相對慣性空間穩(wěn)定，用以建立慣性坐標系。地球自轉(zhuǎn)、重力

加速度等影響由計算機加以補償。這種系統(tǒng)多用于運載火箭的主動段和一些航天器

上。本地水平平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點是臺體上的兩個加速度計輸入軸所構(gòu)成的基

準平面能夠始終跟蹤飛行器所在點的水平面（利用加速度計與陀螺儀組成舒拉回路來

保證），因此加速度計不受重力加速度的影響。這種系統(tǒng)多用于沿地球表面作等速運

動的飛行器（如飛機、巡航導(dǎo)彈等）。在平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，框架能隔離飛行器

的角振動，儀表工作條件較好。平臺能直接建立導(dǎo)航坐標系,計算量小，容易補償最貴房車 和

修正儀表的輸出,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大。

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

根據(jù)所用陀螺儀的不同，分為速率型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和位置型捷聯(lián)式慣性導(dǎo)

航系統(tǒng)。前者用速率陀螺儀，輸出瞬時平均角速度矢量信號；后者用自由陀螺儀，輸

出角位移信號。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)省去了平臺，所以結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護方便，

但陀螺儀和加速度計直接裝在飛行器上，工作條件不佳，會降低儀表的精度。這種系

統(tǒng)的加速度計輸出的是機體坐標系的加速度分量，需要經(jīng)計算機轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航坐標系的

加速度分量，計算量較大。

為了得到飛行器的位置數(shù)據(jù)，須對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)每個測量通道的輸出積分。陀螺

儀的漂移將使測角誤差隨時間成正比地增大，而加速度計的常值誤差又將引起與時間

平方成正比的位置誤差。這是一種發(fā)散的誤差（隨時間不斷增大），可通過組成舒拉馬和猴屬相合不合

回路、陀螺羅盤回路和傅科回路3個負反饋回路的方法來修正這種誤差以獲得準確

的位置數(shù)據(jù)。

舒拉回路、陀螺羅盤回路和傅科回路都具有無阻尼周期振蕩的特性。所以慣性導(dǎo)

航系統(tǒng)常與無線電、多普勒和天文等導(dǎo)航系統(tǒng)組合，構(gòu)成高精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，使

系統(tǒng)既有阻尼又能修正誤差。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度與地球參數(shù)的精度密切相關(guān)。高精度的慣性導(dǎo)航系

統(tǒng)須用參考橢球來提供地球形狀和重力的參數(shù)。由于地殼密度不均勻、地形變化等因

素，地球各點的參數(shù)實際值與參考橢球求得的計算值之間往往有差異，并且這種差異

還帶有隨機性，這種現(xiàn)象稱為重力異常。正在研制的重力梯度儀能夠?qū)χ亓鲞M行實

時測量，提供地球參數(shù)，解決重力異常問題。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展

世紀，牛頓研究了高速旋轉(zhuǎn)剛體的力學(xué)問題。牛頓力學(xué)定律是慣性導(dǎo)航的理論基

礎(chǔ)。1852年J.傅科稱這種剛體為陀螺，后來制成供姿態(tài)測量用的陀螺儀。1906年H.安

休茲制成陀螺方向儀，其自轉(zhuǎn)軸能指向固定的方向。1907年他又在方向儀上增加擺性，

制成陀螺羅盤。這些成果成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的先導(dǎo)。1923年M.舒拉發(fā)表“舒拉擺”理

論，解決了在運動載體上建立垂線的問題，使加速度計的誤差不致引起慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

誤差的發(fā)散,為工程上實現(xiàn)慣性導(dǎo)航提供了理論依據(jù)。1942年德國在V-2火箭上首先應(yīng)

用了慣性導(dǎo)航原理。1954年慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機上試飛成功。1958年，“舡魚”號潛

艇依靠慣性導(dǎo)航穿過北極在冰下航行21天。中國從1956年開始研制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，自

1970年以來，在多次發(fā)射的人造地球衛(wèi)星和火箭上，以及各種飛機上，都采用了本國

研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

慣性導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點

慣性導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點有：（1）由于它是不依賴于任何外部信息．也不向外部輻射

能量的自主式系統(tǒng)．故隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；（2）可全天侯全球、

全時間地工作于空中地球表面乃至水下．（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)

據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低．（4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定

性好．其缺點是：（1）由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長

期精度差；（2）每次使用之前需要較長的初始對準時間；（3）設(shè)備的價格較昂貴；

（4）不能給出時間信息。

結(jié)語

該技術(shù)成本低、可靠性高、尺寸小、功耗低，提高了激光、光纖陀螺等的精度。采用微

電子技術(shù)的各種求異心理 新工藝后，可用單晶硅材料做出特性優(yōu)良和高可靠性的硅微慣性測量裝置。

慣性傳感器及現(xiàn)代控制理論、信息融合技術(shù)迅速發(fā)展使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)正向小型化、捷聯(lián)化、

組合導(dǎo)航的方向發(fā)展。多系統(tǒng)融合，自動故障檢測、隔離，智能導(dǎo)航和友好的人機交互界面

將是未來導(dǎo)航系統(tǒng)的特點。慣性導(dǎo)航技術(shù)將在未來導(dǎo)航定位系統(tǒng)中扮演重要角色。

本文參考文獻

鄧正隆等編著《慣性導(dǎo)航原理》哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社

以光衢等編著《慣性導(dǎo)航原理》北京：航空工業(yè)出版社

黃德鳴、程祿編《慣性導(dǎo)航系統(tǒng)》國防工業(yè)出版社

周徐昌，沈建森《慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用》選自百度文庫

《慣性導(dǎo)航》選自百度文庫

毛敏《慣性導(dǎo)航》選自百度文庫